軌道交通站場BIM設計建模探索

高 華 劉祾頠 吳祥龍

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司，武漢 430063)

BIM技術倡導從工程規劃、設計到施工的全生命周期的應用管理[1]，其在協調性、信息化以及可視化方面帶來的巨大變革為軌道交通勘察設計行業提供新的契機[2-3]。

在軌道交通領域，國內已經有多個城市軌道交通工程項目嘗試BIM技術應用[4]。其中，建筑、結構、暖通，隧道等專業人員對 BIM 技術應用進行了深入研究。

城市軌道交通車輛基地BIM設計中，涉及的專業多、模型復雜、模型數據量極大[5-7]，站場作為車輛基地設計的龍頭專業，其設計成果影響下游眾多設計專業。目前，站場專業BIM技術的應用尚處于利用二維設計成果建造三維信息模型的階段，難以體現BIM技術協同高效的價值[8-9]。

站場專業進行BIM設計時，在前期的方案規劃階段，需要不斷修改完善，由于站場專業設計的BIM數據量極大，目前尚無一款商業軟件能完全適用于站場BIM設計，其瓶頸表現如下[10-13]。

①專業程度不深，不能完全理解設計細節及需求，設計功能不足。

②軟件操作習慣與一線設計人員需求不符，設計效率低下，自動化程度低。

③軟件標準、規范不符合國內要求，出圖格式與國內差別較大。

④軌道交通行業中各專業適用軟件不統一，各主流平臺的數據無法有效互通，易導致信息丟失。

因此，讓BIM技術為站場勘察設計服務，必須要解決站場BIM軟件的問題[14-15]，結合設計經驗及工程實際，提出站場股道設計、路基設計、構件設備庫、出圖等BIM設計方面的技術路線和解決思路。

1 站場BIM設計系統開發概述

通過在主流三維設計平臺上開發站場BIM設計軟件，以實現站場專業信息模型的快速構建。該軟件開發難點如下。

(1)站場BIM設計軟件需要滿足的基本要求：①靈活多變，符合設計人員習慣的計算機三維交互設計；②可對三維BIM模型數據進行運算；③可實時快速的對大規模數據進行渲染；④能廣泛讀取模型屬性數據。

(2)實現站場設計成果的標準化與結構化，以及設計過程和成果的信息共享，為多專業協同設計打好基礎。

(3)將特有的設計技術及知識經驗封裝到BIM設計軟件，構造站場專業核心技術。

2 站場BIM設計技術路線

2.1 總體構架

對站場BIM設計軟件的開發按以下總體架構搭建，如圖1所示。

圖1 軟件構架示意

2.2 模塊劃分

根據工作流程進行如下模塊劃分，將站場所涉及到的主要設備對象化、實體化，站場所涉及的設備模塊如圖2所示。

圖2 工作流及模塊劃分示意

根據工作流進行模塊劃分后，對各模塊進行BIM建模設計。

(1) 股道設計

股道設計功能模塊如圖3所示，軟件的股道設計部分成果如圖4所示。

圖3 股道BIM設計技術路線示意

圖4 股道BIM設計示意

(2)路基設計

軌道交通車輛基地中，站場路基的BIM設計與地形結合較為嚴密，其BIM模型多為不規則結構，批量建模困難，且附屬結構設計與地質參數關聯性較強，與各專業模型信息交換較多，協同設計難度大。為了解決這些問題，該軟件立足站場專業BIM設計，對車輛基地路基BIM設計進行參數化自動建模的探索，對路基、路面、邊坡進行參數化設計，以達到快速建模及人機交互修改的目的。常規路基BIM設計如圖5所示。

圖5 常規路基BIM設計示意

遇到特殊類型路基時，可采用人工干預的方法對其進行修正。

(3)其他設備庫建模

傳統設備庫建模需要依據二維設計成果，手工確定每個設備構件的坐標及方位，最后整合形成整個站場BIM模型。在建立BIM模型時，需要根據模型位置，手動依次插入模型，耗時耗力。因此，該軟件在標準化單體構件模板以及設計方案數字化的基礎上，參考股道位置，經計算后自動放置構件模型，由對話框設定坐標位置、方向及屬性，支持鼠標拖動、屬性修改、刪除等交互操作。使程序根據已有信息自動、快速創建站場BIM模型。部分構件模型如圖6，構件自動建模技術路線如圖7。

圖6 部分構件模型示意

圖7 構件設置技術路線示意

對站場設備賦予數字信息后，設計成果數據庫中記錄了設備的各種設計信息，從數據庫中獲取包括定位、幾何尺寸、非幾何屬性(材質、通用圖號等)的主要信息及設備間的關聯耦合邏輯關系，通過程序自動調用即可實現自動化成圖與建模，實現設計成果數據化。

(4)工程數量及成果輸出

該軟件是基于現有站場設計軟件基礎上的BIM延伸開發，為降低三維空間直接交互的難度和提升人機交互的用戶體驗，對于同一設計方案，分別實現二維和三維可視化(提供2個視圖窗口，二維窗口體現模型的平、縱、橫等信息，三維窗口以三維可視化展示為主，并保持二三維窗口聯動)，如圖8所示。

圖8 二三維窗口的聯動

在數據存儲方面，采用數據驅動，以數據庫為核心，對數據進行讀寫操作，生成圖形。數據存儲模式如圖9所示，數據庫框架如圖10所示。

圖9 數據存儲

圖10 數據庫框架搭建

將軟件封裝成動態鏈接庫，以最大限度實現業務模塊與既有商業平臺的隔離，降低軟件對商業平臺的依賴程度(實現松耦合)；并為該軟件的升級和擴展，以及與其他平臺的對接等未來拓展預留條件。

3 總結與展望

針對目前國內站場BIM發展現狀與瓶頸，提出基于Microstation開發站場BIM設計系統的軟件框架及各模塊實現技術路線。通過對站場設計構件進行對象化、實體化處理，在參考股道位置的基礎上，自動化生成站場股道、路基、設備等模型，以人機交互輔助進行精細化設計。并以輕量化數據庫對模型信息進行存儲，實現了業務模塊與既有商業平臺的分離與封裝，為實現軌道交通全專業數據互通和正向設計提供一種可行的思路。

站場是一個系統性專業，站場設計軟件開發涉及線路、站場、路基、信號等眾多專業，需要對業務具有深入的了解，該軟件選用的BIM平臺為Bentley MicroStation，其開發資料較少，技術支持渠道有限，二次開發進展較慢，后續可以考慮與專業公司形成戰略合作協議，并投入大量的人力和時間來促進項目的推進。